[发明专利]用于单光子探测器的同步甄别及动态死时间控制系统和方法

说明书

本发明揭示了一种用于单光子探测器的同步甄别及动态死时间控制系统，包括依次连接的触发甄别模块、扇出及延时模块、门信号处理模块、单光子雪崩二极管(SPAD)、雪崩信号提取模块、雪崩同步甄别模块、动态死时间处理模块，扇出及延时模块还与雪崩同步甄别模块连接，本发明解决了现有门控单光子探测器时间抖动较大、雪崩信号提取方案无法分辨失真后的两次雪崩信号、死时间控制方案无法分辨正确雪崩信号和后脉冲信号的问题。

技术领域

本发明涉及弱光检测技术领域，尤其涉及一种用于单光子探测器的同步甄别及动态死时间控制方法，可应用于弱光探测、单光子探测、量子密钥分配系统等领域。

背景技术

基于雪崩光电二极管(APD)的单光子探测器的几个关键性能指标为探测效率、暗计数率、后脉冲率以及时间抖动。为降低噪声的影响，获得较好的性能，铟镓砷/铟磷(InGaAs/InP)材料的APD多工作在门控模式下，即APD两端的偏压除直流偏置电压外还有一定宽度的门脉冲信号。理想情况下，门控模式下的单光子探测器仅在门脉冲信号内可探测单光子，门脉冲信号外则无法探测单光子，从而抑制了暗计数和后脉冲的发生，提高了信噪比。

APD本质上是一种二极管，存在节电容。高频高幅的门脉冲信号会通过APD的结电容耦合到输出端成为门控微分噪声，且幅度往往高于其产生的雪崩信号的幅度，因此在高速门控单光子探测器中常使用滤波器以滤除该门控微分噪声，但由于滤波器在通带内阻抗的不连续性，宽带雪崩信号会被不同程度的展宽，使得雪崩信号发生畸变，这种失真在雪崩信号鉴别中造成更大的时间抖动。此外，在采用滤波器方法的高速门控单光子探测器中，如果连续发生了两次雪崩，其输出信号等于两次冲击响应信号叠加，则会有少量的雪崩提取信号会展宽到相邻的门控时间内，这将错误地记录雪崩信号产生的位置，若应用在量子密钥分配(QKD)系统中，则会造成QKD系统误码升高、原始密钥量降低，严重时通讯双方就无法建立安全可靠的保密通讯。

雪崩过程中产生的部分载流子由于倍增层中的缺陷和杂质而被捕获，被捕获的载流子会维持一段时间后释放，其释放产生的雪崩称为后脉冲，减小后脉冲对大多数应用来说至关重要。对于低速门控系统，减小后脉冲的有效方法是在单光子雪崩二极管(SPAD)探测到一个光子并产生有效计数后，关断门脉冲信号使加载在SPAD两端的电压降到雪崩电压以下，从而抑制非预期的雪崩，门脉冲信号关断时间定义为死时间。而对于高速正弦门控系统，门脉冲信号无法关断，因此采用的方法是在甄别并输出雪崩信号后的一段时间里，探测器不再统计输出雪崩信号，这段时间定义为逻辑死时间，即逻辑死时间内SPAD仍可正常雪崩。既有的死时间控制方案为固定死时间长度，无法主动区分雪崩信号和后脉冲信号，假设两次有效雪崩时间间隔为T1，且T1＜固定死时间长度DT，而第二次有效雪崩后时间间隔T2处产生一次后脉冲，且(T1+T2)＞固定死时间长度DT，则第二次有效雪崩将被误作为后脉冲被抑制，而第二次有效雪崩后产生的后脉冲会被误作为有效雪崩被统计输出，从而形成一次错误的计数，随着探测效率的提升，这种错误计数的概率也会明显升高。

单光子探测器在较高的工作频率和较高的探测效率下，探测输出时间抖动以及后脉冲的影响尤为突出，如何有效的降低时间抖动、抑制后脉冲成为提高单光子探测器性能、拓宽单光子探测器应用范围的重要难点。

此外，基于滤波器方案的高速门控单光子探测器，现有的雪崩信号提取方案无法分辨失真后的两次雪崩信号，导致光脉冲分布峰值后面跟随错误的雪崩信号分布，降低了单光子探测器的性能。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是实现一种用于单光子探测器的同步甄别及动态死时间控制系统和方法，以解决现有门控单光子探测器时间抖动较大、雪崩信号提取方案无法分辨失真后的两次雪崩信号、死时间控制方案无法分辨正确雪崩信号和后脉冲信号的问题。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：用于单光子探测器的同步甄别及动态死时间控制系统，包括：

触发甄别模块：用于甄别门控单光子探测器的触发信号，并输出所甄别的触发信号至扇出及延时模块；